Special AX 시대 선도하는 전력반도체 기술 개발 동향(2)

질화갈륨(GaN) 기반 에피 성장 및 분석

배성범_한국전자통신연구원 책임연구원

1. 서론

전력반도체(Power Semiconductor)는 IT 및 일상 전자제품에서 전력의 변환, 분배 및 제어를 담당하는 반도체를 의미하며, 기존의 반도체(메모리, CPU등) 대비 높은 전압(100V~5,000V)과 전류(수A~수백A) 범위를 갖는 특징이 있다. 특히 전체 에너지의 25% 내외를 차지하는 전기에너지 활용 효율을 높이기 위하여 고효율성, 고신뢰성 및 소형화된 전력반도체의 적용이 필요하며, 이는 지구 온난화 방지를 위한 탄소중립 정책과 글로벌 에너지 위기를 극복할 수 있는 친환경적인 기술에 해당된다.1) 

  전 세계 전력반도체 시장 규모는 2019년 450억 불에서 2025년 568억 불 규모로 성장하고 있으며, 향후 2030년경에는 약 723억불 규모로 확대될 것으로 예상된다.2) 해외 선진업체들인 인피니언(Infineon, 獨), 텍사스인스트루먼트(TI, 美), 온세미(On-Semiconductor, 美), 에스티마이크로(STMicro, 佛)등의 상위권 업체들이 대부분의 전력반도체 시장을 주도하고 있으며, 국내시장은 일부 실리콘 전력반도체 상용제품을 제외하고 대부분 해외 수입에 의존하고 있는 상황이다. 

  현재 일반적인 전자기기에 사용되고 있는 실리콘 전력반도체는 소재의 물성적 한계로 인하여 신산업 분야에서 요구되는 고효율, 고출력 및 소형화를 구현하는데 어려움이 있어서 이를 대체하는 화합물 반도체를 이용한 차세대 전력반도체에 대한 연구개발 및 상용화가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 대표적으로 SiC(Silicon Carbide, 탄화규소), GaN(Gallium Nitride, 질화갈륨), Ga2O3(Gallium Oxide, 갈륨 옥사이드) 등의 반도체 소재들이 있으며, 기존 실리콘 반도체 대비 안정적인 고온 및 고전압 동작, 빠른 스위칭 속도 및 전력손실이 낮은 장점을 가지고 있다.

표. 1 다양한 전력반도체용 핵심소재들의 물성 비교3)

  GaN 반도체는 기존 실리콘 반도체 및 경쟁관계인 SiC 반도체 대비 높은 항복전압과 낮은 온·저항(On-resistance) 특성을 가지고 있으며, 특히 응용분야에 따른 반도체 소재의 적합성을 나타내는 성능 지수(FoM : Figure of Merit)에서는 고주파 및 전력반도체와 연관된 Jonh’s FoM과 고출력 소자 제작에 따른 방열성능에 연계된 Keyes’s FoM 특성이 우수함을 알 수 있다.4), 5) 

그림. 1 반도체 소재에 따른 항복전압-온저항 특성 및 성능지수(FoM : Figure of Merit) 비교

  차세대 전력반도체 시장은 화합물 반도체의 성능 향상 및 상용화 로드맵에 따라 현재 모바일(IT)시장을 중심에서 신산업 분야인 전기차, 데이터센터, 통신시스템 및 신재생에너지 분야 등으로 급격하게 확대 되고 있으며, 고전압 전력반도체 시장을 선점하기 위한 글로벌 기업들의 연구개발 및 상용화 경쟁이 치열하게 진행중에 있다.

  본 리뷰에서는 차세대 전력반도체로 주목받고 있는 GaN 반도체 소재에 대하여 기술개요 및 개발동향에 대하여 소개하고자 한다.

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 1월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>